Раздел №1. Электрические цепи постоянного тока.

Раздел №1. Электрические цепи постоянного тока.

Тема №1. Электрическое поле и его изображение.

План:

1) Определение электрического поля и его особенности;

2) Напряженность электрического поля;

3) Работа электрического поля;

4) Напряжение;

5) Потенциал;

6) Электрический ток.

 

Электрическое поле – это пространство, воздействующее на заряженные частицы и обладающее электрической энергией.

 

Изображается электрическое поле в виде силовых линий, которые направлены от “+” к “-”.

Если заряды в электрическом поле располагаются равномерно, то оно называется однородным.

Если заряды располагаются не равномерно, то оно называется неоднородным электрическим полем.

 

Параметры электрического поля.

1) Напряжённость электрического поля;

Напряжённость численно равна отношению силы, с которой поле действует на заряд к величине этого заряда.

Напряжённость величина векторная. Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силовых линий электрического поля.

где E – напряжённость;

F – сила, с которой поле действует на заряд;

q – заряд.

 

2) Работа электрического поля;

Поле совершает работу по перемещению заряда из одной точки поля в другую.

A=F · ; Дж

где A – работа;

– расстояние, на которое перемещается заряд.

 

3) Напряжение;

Численно равно отношению работы по перемещению заряда из одной точки в другую к величине этого заряда.

U

4) Потенциал;

Численно равен работе, которая может быть совершена силами электрического поля по перемещению заряда из одной точки поля в другую, которая является нулевой. Напряжение между двумя точками электрического поля равно разности потенциалов в этих точках.

- ); В

где потенциал в точке М;

потенциал в точки N.

Потенциал, так же как и напряжение измеряется в вольтах. Напряжение измеряет вольтметр, который подключается параллельно.

Электрический ток – это направленное упорядоченное движение заряженных частиц по проводнику под действием электрического поля. Интенсивность электрического поля определяется силой тока. Ток величина векторная.

За направлением тока принимается направление движения положительных заряженных частиц или направление от “+” к “ – ”.

Сила тока численно равна количеству электричества проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

,

Постоянный ток – это такой ток, величина и направление которого не изменяется с течением времени.

Переменный ток – это такой ток, величина и направление которого изменяются с течением времени.

Ток измеряется амперметром, который подключается последовательно.

 

Тема №4. Мощность электрической цепи.

Закон Джоуля-Ленца.

План:

1) Определение мощности;

2) Мощность источника;

3) Мощность потребителя;

4) Мощность потерь;

5) Баланс мощностей;

6) КПД;

7) Закон Джоуля-Ленца;

 

Мощность – это скорость совершения работы или скорость преобразования одного вида энергии в другой.

 

Основная формула мощности:

, Вт

P – мощность;

A – работа;

t – время.

 

Мощность источника – это скорость, с которой какой-либо вид энергии преобразуется в источнике в электрическую энергию.

Она равна:

, Вт

где Е – ЭДС источника и ток в цепи.

 

Мощность потребителя – это скорость, с которой электрическая энергия в потребителе преобразуется в другой вид энергии.

Она равна:

, Вт

где U – это напряжение на потребителя.

Мощность потребителя можно выразить через напряжение и сопротивление или через ток сопротивления.

,Вт

Мощность потерь характеризует непроизводительный расход энергии.

Она равна:

где – это напряжение потерь внутри источника.

Баланс мощностей – мощность источника равна сумме мощности потребителя плюс мощность потерь.

Она равна:

 

КПД – коэффициент полезного действия.

η =

КПД показывает какой процент полезной мощности (мощность потребителя) составляет от затраченной мощности (мощность источника).

КПД всегда <100% т.к. из-за потерь.

 

Закон Джоуля-Ленца.

Количество тепла, выделенного током в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, протекающего по проводнику, сопротивлению проводника и времени прохождения тока по проводнику.

Где:

Q – количество теплоты, выделяемое током;

I – сила тока, проходящего по проводнику;

R – это сопротивление, оказываемое проводником;

t – время, затрачиваемое на прохождение тока.

 

Тема №5. Конденсаторы.

План:

1) Определение, назначение, применение конденсатора;

2) УГО;

3) Основные свойства и параметры конденсатора;

4) Энергия электрического поля конденсатора;

5) График заряда и разряда конденсатора.

 

Конденсатор – это система, состоящая из двух проводников (обкладок), разделённых диэлектриком.

Конденсатор обладает свойством накапливать и удерживать на своих обкладках равные по величине и противоположные по знаку заряды.

Условное графическое обозначение – УГО.

Заряд в каждой из обкладок пропорционален напряжению между ними.

Он равен:

q=c*U, Кл , Ф

где С - коэффициент пропорциональности,

который называется электрической ёмкостью конденсатора.

Размерность – Фарад (Ф).

С – основной параметр конденсатора.

Электрическая ёмкость зависит от геометрических параметров конденсатора и диэлектрических свойств диэлектрика.

, Ф

где ε – диэлектрическая проницаемость;

S – площадь одной из обкладок;

d – расстояние между обкладками.

Конденсатор, подключённый к источнику, накапливает заряд, при этом он заряжается с течением времени.

Заряженный конденсатор, подключённый к нагрузке, создает на ней ток до тех пор, пока полностью не разрядится в течение какого-то времени.

 

График заряда и разряда конденсатора.

 

Конденсатор заряжается и разряжается по экспоненте.

Время заряда и разряда конденсатора зависит от его электрической ёмкости и от сопротивления резистора, через которое он заряжается и разряжается (?) Определяется это время постоянной времени, которая равна:

τ – тау (постоянная времени)

τ= R*C

Заряженный конденсатор создает вокруг себя электрическое поле.

Энергия электрического поля конденсатора равна:

, Дж

Где:

С – ёмкость конденсатора;
q – заряд конденсатора;
U – напряжение на обкладках конденсатора.

 

Тема №8. Законы Кирхгофа.

План:

1) Понятие о сложной цепи;

2) Первый закон Кирхгофа;

3) Второй закон Кирхгофа.

 

Сложной цепью называется электрическая цепь, содержащая два и более источников питания.

 

Первый закон Кирхгофа.

Алгебраическая сумма токов сходящихся в узле равна 0.

 

Правило знаков.

Токи, втекающие в узел, берутся с плюсом, а токи, вытекающие из узла, берутся с минусом.

∑ - алгебраическая сумма

 

Второй закон Кирхгофа.

Алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре равна алгебраической сумме падения напряжения на резисторах этого контура.

 

Правило знаков.

Произвольно выбирается направление обхода; если направление ЭДС и направление тока совпадают с направлением обхода, то они берутся с “+”; если направление ЭДС и тока противоположны направлению обхода, то они берутся с “-”.

 

Тема №3. Трансформаторы.

План:

1) Определение, назначение, применение трансформатора;

2) УГО трансформатора;

3) Основные параметры трансформатора;

4) Трансформатор в рабочем режиме, холостого хода, режиме короткого замыкания;

5) Коэффициент полезного действия трансформатора;

6) Расчёт параметров трансформатора;

7) Основные характеристики трансформатора.

 

Трансформатор – это электропреобразовательный прибор, работающий на переменном токе и преобразующий напряжение и ток одной величины в напряжение и ток другой величины.

Принцип работы трансформатора основан на явлении взаимоиндукции.

Конструктивно трансформатор состоит из:

1) двух катушек (обмоток);

2) магнитопровода.

Обмотка, которая подключается к источнику, называется первичной; обмотка, которая подключается к нагрузке, называется вторичной или выходной.

 

УГО трансформатора.

 

Схема трансформатора в рабочем режиме.

Где:

U₁ и I₁ – напряжение и ток в первичной обмотке – первичные параметры;

U₂ и I₂ – напряжение и ток во вторичной обмотке – вторичные параметры.

 

Основным параметром трансформатора является коэффициент трансформации, который показывает, как изменится напряжение и ток в трансформаторе.

;

 

где:

n₁ – количество витков в первичной обмотке;

n₂ – количество витков во вторичной обмотке.

Трансформатор называется повышающим, если

Это происходит при условии, что n₂>n₁, при этом К<1.

Трансформатор называется понижающим, если

Это происходит при условии, что n₂<n₁, при этом К>1.

 

Трансформатор в режиме холостого хода.

 

Трансформатор в режиме короткого замыкания.

Закон сохранения энергии в трансформаторе.

Полная мощность в первичной обмотке трансформатора равна полной мощности во вторичной обмотке трансформатора.

S1=S2

Где S1 – полная мощность первичной обмотки;

S2 – полная мощность вторичной обмотки.

 

Из прямоугольного треугольника мощностей следует:

 

Характеристики трансформатора.

Внешняя характеристика – это зависимость напряжения во вторичной обмотке от тока во вторичной обмотке.

 

График зависимости КПД от тока во вторичной обмотке.

 

Раздел №1. Электрические цепи постоянного тока.